水冷中央空調(diào)節(jié)能控制及運(yùn)行策略研究

王瑾烽，鄭麗軍

（1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.浙江中天智匯安裝工程有限公司，浙江 杭州 310015）

隨著全球變暖等問(wèn)題的加劇，世界各國(guó)都在轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，走“綠色、低碳、循環(huán)”的發(fā)展道路[1]。2021年4月在“中美領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)”上中國(guó)政府向全世界作出了“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”的莊嚴(yán)承諾，同年11月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》。建筑碳排放計(jì)算作為強(qiáng)制要求，對(duì)精細(xì)化、集約化利用建筑能源做出了可操作性部署。

建筑耗能、工業(yè)耗能和交通耗能是我國(guó)三大“耗能大戶(hù)”。建筑能耗80%以上是由建筑物中的機(jī)電設(shè)備、照明運(yùn)行產(chǎn)生的，其中采暖、空調(diào)能耗約占60%~70%[2]。公共建筑中大多采用水冷中央空調(diào)系統(tǒng)，水冷空調(diào)主要包含冷水機(jī)組、冷凍水、冷卻水和冷卻塔等系統(tǒng)。冷水機(jī)組完成制冷劑在低溫低壓氣體、高溫高壓氣體、常溫高壓液體、低溫低壓液體4個(gè)狀態(tài)的重復(fù)循環(huán)。高溫高壓氣體冷凝為常溫高壓液體的過(guò)程中釋放的熱量由冷卻水循環(huán)帶出在冷卻塔散發(fā)；低溫低壓液體氣化為低溫低壓氣體時(shí)吸收熱量將冷凍水制冷；冷凍水流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤(pán)管，在盤(pán)管與空氣熱交換使空氣降溫送至各冷源用戶(hù)。

中央空調(diào)系統(tǒng)原理并不復(fù)雜，是成熟的系統(tǒng)，但中央空調(diào)系統(tǒng)的供冷（熱）、供水、供氣以及輔助的監(jiān)測(cè)與控制、凈化、處理等設(shè)備分布在公共建筑的各個(gè)角落，要讓數(shù)以千計(jì)的設(shè)備穩(wěn)定工作，保證系統(tǒng)在低能耗運(yùn)行并非易事。空調(diào)耗電中，制冷機(jī)房系統(tǒng)（含制冷機(jī)、水泵及冷卻塔）耗電量又占空調(diào)總耗電量的85%左右[3]。因此，制冷機(jī)房的節(jié)能是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的核心。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效現(xiàn)狀

我國(guó)的家用空調(diào)有成熟的評(píng)價(jià)體系，每臺(tái)空調(diào)都貼有“中國(guó)能效標(biāo)識(shí)”，注明能效等級(jí)。但中央空調(diào)系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)基本屬于盲區(qū)。中央空調(diào)的系統(tǒng)能效差距非常大，社會(huì)平均水平3.2左右，中央空調(diào)綜合能效（COP）分布如圖1所示。綜合能效是反應(yīng)制冷時(shí)空調(diào)電能轉(zhuǎn)化制冷量效率的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)能效比（COP）分布圖

由于空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備種類(lèi)多、布置分散、管道連接多，設(shè)備間耦合性強(qiáng)，存在時(shí)滯性、非線形、時(shí)變性和不確定性等因素，空調(diào)系統(tǒng)高能耗運(yùn)行問(wèn)題一直沒(méi)有很好地解決[4]。造成我國(guó)公共建筑中央空調(diào)系統(tǒng)綜合能效不高的原因是多方面的，主要表現(xiàn)如下。

1.1 中央空調(diào)高能效責(zé)任主體不明

中央空調(diào)的建設(shè)與使用被分割成設(shè)計(jì)、安裝與運(yùn)維3大環(huán)節(jié)。該體系可以保證空調(diào)安全穩(wěn)定運(yùn)行，但沒(méi)有一個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)能效負(fù)責(zé)。空調(diào)能效沒(méi)有明確的責(zé)任主體。

中央空調(diào)系統(tǒng)是按照建筑最大需求冷量即最高氣溫的最高冷負(fù)荷設(shè)計(jì)的，為了保證可靠性，設(shè)計(jì)還會(huì)考慮10%~20%的余量。實(shí)際上系統(tǒng)在最大負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間不到10%[5]。施工單位有機(jī)電安裝工程經(jīng)驗(yàn)，但一般不是空調(diào)業(yè)內(nèi)人士，調(diào)試與運(yùn)行也不在合同范圍內(nèi)。因此，施工單位大多按圖施工，不會(huì)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)提出優(yōu)化。使用單位關(guān)心空調(diào)的舒適度，運(yùn)維企業(yè)關(guān)注設(shè)備的故障率。中央空調(diào)高能耗的成本變相轉(zhuǎn)嫁給消費(fèi)者。

1.2 中央空調(diào)高能效評(píng)價(jià)體系缺失

中央空調(diào)全生命周期中，有設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收規(guī)范。由于中央空調(diào)是集成系統(tǒng)，除了各個(gè)廠家的單體設(shè)備外，還有大量的介質(zhì)管道。因此，缺乏統(tǒng)一的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，目前還沒(méi)有中央空調(diào)高效機(jī)房工程評(píng)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。地方質(zhì)監(jiān)站對(duì)中央空調(diào)驗(yàn)收的時(shí)候，主要對(duì)設(shè)計(jì)方案、安裝工藝和功能進(jìn)行驗(yàn)收，考核系統(tǒng)運(yùn)行效率沒(méi)有依據(jù)。

1.3 用戶(hù)不節(jié)能行為約束機(jī)制空白

末端調(diào)節(jié)對(duì)能耗的影響很大，室內(nèi)舒適度與溫度、濕度、空氣流速等相關(guān)。過(guò)冷的溫度、過(guò)高的風(fēng)速、門(mén)窗不關(guān)等都造成較大的能耗浪費(fèi)。國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)約、反對(duì)浪費(fèi)，但對(duì)個(gè)體的不節(jié)能行為并沒(méi)有約束機(jī)制。

2 大型水冷空調(diào)的節(jié)能分析

2.1 空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算

空調(diào)負(fù)荷計(jì)算是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入應(yīng)用，負(fù)荷計(jì)算從最初的計(jì)算穩(wěn)定負(fù)荷發(fā)展到動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算。無(wú)論負(fù)荷計(jì)算怎么演變，其本質(zhì)是“得熱量和冷負(fù)荷”的關(guān)系。空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷影響因素較多，有外墻及屋頂瞬變傳熱、玻璃窗瞬變傳熱、玻璃窗日照得熱、設(shè)備散熱、照明散熱、人體散熱、食物散熱、新風(fēng)的顯熱和潛熱等多個(gè)變量[6]。隨著《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》的實(shí)施，對(duì)建筑空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算必須考慮動(dòng)態(tài)負(fù)荷。由于負(fù)荷計(jì)算的復(fù)雜性，工程技術(shù)人員一般都用專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件，國(guó)內(nèi)常用的建筑能耗分析軟件有鴻業(yè)暖通空調(diào)、天正軟件暖通系統(tǒng)等。通過(guò)軟件模擬，可以估算日負(fù)荷和年負(fù)荷。年動(dòng)態(tài)負(fù)荷不僅用來(lái)確定空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化控制方式，還促進(jìn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改善門(mén)窗結(jié)構(gòu)等。

設(shè)計(jì)負(fù)荷與實(shí)時(shí)運(yùn)行負(fù)荷是不匹配的。在不同的季節(jié)、時(shí)間、人流、光照條件、朝向、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地理?xiàng)l件、室內(nèi)設(shè)備下，其冷熱負(fù)荷在同一建筑體內(nèi)相差達(dá)1~10倍，而且是隨時(shí)變化的，如圖2所示。

圖2 空調(diào)的實(shí)際負(fù)荷變化曲線圖

2.2 冷水機(jī)組的節(jié)能分析

冷水機(jī)組是中央空調(diào)系統(tǒng)的核心，風(fēng)冷式冷水機(jī)組單機(jī)容量小，受氣象條件的影響較大，使用壽命短。雖無(wú)冷卻塔和冷卻水循環(huán)泵，但總耗電量與水冷式相當(dāng)。因此，水冷式冷水機(jī)組的應(yīng)用場(chǎng)景更廣。

冷水水機(jī)組的工作過(guò)程就是不同介質(zhì)之間的熱交換過(guò)程，第1個(gè)是制冷劑在蒸發(fā)器里與冷凍水的熱交換，第2個(gè)是制冷劑在冷凝器熱里與冷卻水的熱交換。此外，還有2個(gè)次生熱交換，冷凍水在風(fēng)機(jī)盤(pán)管中熱交換是中央空調(diào)的最終輸出，冷卻水在冷卻塔中熱交換是輔助制冷劑的狀態(tài)循環(huán)，從而間接保證了冷水機(jī)組的工作循環(huán)。冷卻水、冷凍水的溫度都影響冷水機(jī)組的能效。冷卻水進(jìn)水溫度升高，冷水機(jī)組效率減小；冷凍水供水溫度升高，冷水機(jī)組效率增大[7]。

中央空調(diào)系統(tǒng)一般采用3～5臺(tái)同銘牌的冷水機(jī)組集群控制，根據(jù)季節(jié)、時(shí)段進(jìn)行不同的控制策略，把空調(diào)制冷季節(jié)分為低負(fù)荷過(guò)渡季節(jié)（4、5、10、11月）、中負(fù)荷季節(jié)（6、9月）和高負(fù)荷季節(jié)（7、8月）三檔，系統(tǒng)運(yùn)行在不同強(qiáng)度。在每種策略下根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷，自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行強(qiáng)度，調(diào)整冷水機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。在低負(fù)荷時(shí)段減少主機(jī)開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，主機(jī)負(fù)荷率控制在55%~85%區(qū)間，使冷量和冷凍水流量雙平衡。即節(jié)約冷水機(jī)組運(yùn)行能耗，又節(jié)約配套的水泵、冷卻塔的電耗，達(dá)到中央空調(diào)系統(tǒng)低能耗運(yùn)行[8]。

2.3 冷凍水泵的節(jié)能分析

冷凍水在蒸發(fā)器降溫后，由冷卻泵抽出經(jīng)分水器流至各支管，分水器各支路安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)合理壓差控制，保證該路的所有末端設(shè)備冷凍水循環(huán)。冷凍水在末端設(shè)備完成熱交換后回到集水器，再回流到蒸發(fā)器完成冷凍水1個(gè)循環(huán)。在末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管內(nèi)，空氣與冷凍水管熱交換降溫后，供給各樓層。

冷凍水的流量反應(yīng)用戶(hù)側(cè)負(fù)荷需求，流量與轉(zhuǎn)速成正比。因此，冷凍泵的轉(zhuǎn)速要隨著負(fù)荷的變化不斷調(diào)整，水泵改變轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整管道流量是最佳流量調(diào)整方式，而改變水泵轉(zhuǎn)速最節(jié)能的方式是水泵電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。冷凍水一次泵的變頻調(diào)速常規(guī)有溫差控制和壓差控制2種。溫差控制適用于房間小、功能單一的場(chǎng)所；大多數(shù)場(chǎng)所采用供水管和回水管之間的壓差信號(hào)進(jìn)行變頻調(diào)速控制[9]。

根據(jù)冷凍水供水和回水的溫度、流量、壓差等參數(shù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)水力平衡控制模型，調(diào)整支路流量，使冷量和冷凍水流量同時(shí)實(shí)現(xiàn)平衡。并推測(cè)出系統(tǒng)下一時(shí)段冷量需求，提前進(jìn)行供水流量調(diào)節(jié)，使空調(diào)系統(tǒng)的冷量供需達(dá)到新的平衡。

2.4 冷卻水泵和冷卻水塔的節(jié)能分析

制冷劑從氣體凝結(jié)為液體時(shí)釋放的熱量由冷卻水帶出，冷卻水雖不直接參與室內(nèi)熱交換，但保證了制冷劑的循環(huán)。冷凝器出來(lái)的熱水經(jīng)冷卻泵抽出，由冷卻水管道輸送到冷卻水塔，在冷卻水塔內(nèi)釋放熱量降溫后回到冷凝器。

冷卻水循環(huán)的能耗包括冷卻水水泵電動(dòng)機(jī)的能耗和冷卻塔風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的能耗。調(diào)節(jié)冷卻水的流量以及進(jìn)出水的溫差可滿(mǎn)足主機(jī)的冷凝要求，降低冷卻水進(jìn)水溫度能減少冷卻泵和冷水主機(jī)的能耗。

冷卻水高溫回水的散熱在冷卻塔完成，大型冷卻塔為提高降溫效果大多采用機(jī)械通風(fēng)濕式冷卻塔，高溫冷卻水從塔頂撒播到填料層，冷卻塔風(fēng)機(jī)把低溫空氣從塔底抽向塔頂，水與空氣的熱交換以及水的蒸發(fā)都使冷卻水降溫。冷卻水的進(jìn)水溫度、流量、冷卻塔的風(fēng)量以及空氣的濕球溫度等都會(huì)影響冷卻塔的降溫效果。

冷卻水溫度高低影響空調(diào)水冷機(jī)組的能耗。冷卻水溫度越低，水冷主機(jī)效率越高。但要使冷卻水出水溫度進(jìn)一步降低，冷卻水泵與冷卻塔都會(huì)增加能耗。所以冷卻水溫度與主機(jī)能耗正相關(guān)，與冷卻塔風(fēng)機(jī)和冷卻水水泵能耗負(fù)相關(guān)。冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制，就是根據(jù)負(fù)荷動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)整冷卻水泵的工作頻率，同時(shí)把冷卻塔的冷卻能力最大化，把冷卻水回水溫度盡可能降低，從而降低主機(jī)能耗。

2.5 水冷空調(diào)的運(yùn)行策略

中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)采用集中控制平臺(tái)，避免手動(dòng)模式運(yùn)行帶來(lái)的不確定性。

（1）主機(jī)應(yīng)根據(jù)末端回水溫度，確定主機(jī)開(kāi)機(jī)負(fù)荷。根據(jù)負(fù)荷情況，確定主機(jī)開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)。通過(guò)合理壓差控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的水力平衡，保證回水溫度的穩(wěn)定。通過(guò)采集分水器和集水器上各支路水溫、壓力、溫差、壓差等信號(hào)計(jì)算出各支路的負(fù)荷需求，實(shí)時(shí)調(diào)整各支路的調(diào)節(jié)閥，使各分區(qū)的流量需求與負(fù)荷需求匹配，保證了各區(qū)域中央空調(diào)運(yùn)行效果。

（2）冷凍泵開(kāi)啟多臺(tái)水泵聯(lián)合變頻，電機(jī)運(yùn)行頻率25~40 Hz，水泵變流量運(yùn)行。每路供回水均獨(dú)立控制，通過(guò)控制合理的壓差，保證冷凍水末端設(shè)備。根據(jù)負(fù)荷情況決定開(kāi)啟水泵臺(tái)數(shù)，根據(jù)主機(jī)和末端的循環(huán)量需求調(diào)整冷凍水循環(huán)，使其揚(yáng)程和流量達(dá)在最佳匹配參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。

（3）冷卻泵開(kāi)啟多臺(tái)水泵聯(lián)合變頻，電機(jī)運(yùn)行頻率25~40 Hz，水泵變流量運(yùn)行。通過(guò)控制水泵頻率控制合理的壓差，保證冷卻水可以送到塔盤(pán)，且沒(méi)有壓頭損失。實(shí)時(shí)跟蹤機(jī)組負(fù)荷變化和冷凝溫度，根據(jù)冷卻塔的冷卻效果調(diào)整冷卻水循環(huán)，使其揚(yáng)程和流量在最佳匹配參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。

（4）冷卻塔所有風(fēng)機(jī)按同一個(gè)頻率變頻運(yùn)行，運(yùn)行頻率在25~40 Hz區(qū)間。常年開(kāi)啟全部冷卻塔風(fēng)機(jī)，利用多臺(tái)塔的散熱面積提高冷卻效果。風(fēng)機(jī)在近濕球溫度運(yùn)行，讓冷卻塔出水溫度逼近環(huán)境濕球溫度。通過(guò)布水優(yōu)化，讓所有填料上都形成水膜，提高散熱效率。根據(jù)環(huán)境溫濕度、進(jìn)出水溫度尋找冷卻塔的最佳運(yùn)行工況。

3 河南信陽(yáng)信合萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目概況

河南信陽(yáng)信合萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)，總占地426畝，總建筑面積100萬(wàn)m2，其中商業(yè)綜合體面積約30萬(wàn)m2，空調(diào)面積約20萬(wàn)m2。采用水冷中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)整棟建筑進(jìn)行集中供冷。水冷中央空調(diào)系統(tǒng)的基本配置見(jiàn)表1。

表1 信陽(yáng)信合萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備配置

3.2 節(jié)能措施

（1）超高效系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)業(yè)態(tài)需求計(jì)算末端負(fù)荷，通過(guò)調(diào)整使用面積或增大末端風(fēng)機(jī)柜制冷量來(lái)提高冷負(fù)荷，達(dá)到冷量需求。取消二次泵，異程改同程，取消平衡閥。通過(guò)BIM深化設(shè)計(jì)，調(diào)整水平干管走向，減少?gòu)濐^，降低管阻。冷卻塔并聯(lián)，取消電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，安裝塔間均水裝置，保證塔的布水均勻。

（2）模塊化控制技術(shù)應(yīng)用。采用中央空調(diào)集中能效控制平臺(tái)，集成了供電系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和冷卻塔系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行，遠(yuǎn)程智能控制。

（3）末端負(fù)荷動(dòng)態(tài)控制。實(shí)時(shí)監(jiān)控末端負(fù)荷狀態(tài)，根據(jù)末端負(fù)荷，調(diào)整冷凍水流量，保證主機(jī)和末端系統(tǒng)的能量平衡和流量平衡。

3.3 運(yùn)行策略

根據(jù)末端需求開(kāi)啟主機(jī)臺(tái)數(shù)，優(yōu)先開(kāi)啟變頻離心機(jī)，主機(jī)定流量，冷卻塔和末端變流量。根據(jù)需求設(shè)出水溫度，根據(jù)溫度調(diào)節(jié)各支管路的流量，以動(dòng)態(tài)水力平衡控制和雙變流量控制技術(shù)，保證末端不同區(qū)域的空調(diào)效果，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3.4 節(jié)能效果

河南信陽(yáng)信合萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)項(xiàng)目2021年投入運(yùn)行，該項(xiàng)目經(jīng)歷了1 a運(yùn)行，總體情況較好。全年制冷機(jī)房輸出總制冷量1 523.5萬(wàn)kW·h，制冷機(jī)房設(shè)備總電耗275.5萬(wàn)kW·h，年制冷機(jī)房COP在5.0以上。

4 結(jié)論

在“雙碳戰(zhàn)略”的大背景下，中央水冷空調(diào)系統(tǒng)的高能效運(yùn)行迫在眉睫。除了思想上重視、管理上改善之外，要在以下方面開(kāi)展工作。

（1）明確責(zé)任主體，出臺(tái)能效標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)運(yùn)維管理的力度。

（2）根據(jù)業(yè)態(tài)需求，校正末端負(fù)荷；根據(jù)水力平衡，確定同程、異程。

（3）通過(guò)BIM深化設(shè)計(jì)，優(yōu)化管路布局，減少?gòu)濐^，減少管阻。

（4）優(yōu)化中央空調(diào)系統(tǒng)的控制模式及運(yùn)行策略。

（5）加強(qiáng)水質(zhì)維護(hù)，管道及設(shè)備除垢，降低系統(tǒng)阻力。